EP4406004A1 - Procede de fabrication d'un substrat support en carbure de silicium poly-cristallin - Google Patents

Procede de fabrication d'un substrat support en carbure de silicium poly-cristallin

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EP4406004A1
EP4406004A1 EP22789252.8A EP22789252A EP4406004A1 EP 4406004 A1 EP4406004 A1 EP 4406004A1 EP 22789252 A EP22789252 A EP 22789252A EP 4406004 A1 EP4406004 A1 EP 4406004A1
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EP
European Patent Office
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substrate
silicon carbide
manufacturing process
initial substrate
face
Prior art date
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Pending
Application number
EP22789252.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Hugo BIARD
Mélanie LAGRANGE
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Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Publication date
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Definitions

  • TITLE METHOD FOR MANUFACTURING A SUPPORT SUBSTRATE FROM
  • the present invention relates to the field of semiconductor materials for microelectronic components. It relates in particular to a process for manufacturing a polycrystalline silicon carbide support substrate, particularly suitable for producing a composite structure comprising a thin layer of monocrystalline silicon carbide placed on said support substrate.
  • SiC is increasingly widely used for the manufacture of innovative power devices, to meet the needs of rising areas of electronics, such as electric vehicles.
  • power devices and integrated power systems based on monocrystalline silicon carbide can handle much higher power density compared to their traditional silicon counterparts, and this with smaller active area dimensions.
  • c-SiC monocrystalline SiC
  • p-SiC Polycrystalline SiC
  • the document US2019153616 proposes a process for manufacturing a p-SiC support substrate on which a thin c-SiC layer can be transferred.
  • the support substrate comprises grains of average size of the order of 10 ⁇ m and has a grain size variation rate between its front and rear faces, reduced to its thickness, of less than or equal to 0.43%; this last characteristic makes it possible to limit the residual stress in the support substrate and therefore its curvature.
  • the manufacturing process involves a first base carbon substrate on which a thick layer (typically 2mm) of p-SiC is produced by chemical vapor deposition.
  • a second p-SiC base substrate about 350 ⁇ m thick, is extracted from the thick layer of p-SiC, by removing the first carbon base substrate and by mechanically thinning the two faces of the thick layer.
  • the second base substrate has a grain size variation rate between its front and rear faces, reduced to its thickness, of less than or equal to 0.43%.
  • a new layer of p-SiC (typically of the order of 400 ⁇ m) is then formed by chemical vapor deposition on the second base substrate: separated from the second base substrate, for example by laser irradiation, this new layer of p -SiC constitutes the support substrate in p-SiC intended to be used in a composite structure.
  • the second base substrate can then be reused.
  • the step consisting in forming the second base substrate can prove to be complex because the removal of the first carbon base substrate generally induces a very significant curvature of the thick p-SiC layer, which can cause the breakage of said thick layer, or at least which complicates or even prevents the performance of the thinning step required to reach the thickness of the second base substrate.
  • this thinning is very substantial (of the order of 1.5 mm) and expensive in p-SiC material and in deposition and thinning steps.
  • the present invention proposes a manufacturing process addressing the aforementioned problem. It relates to a process for manufacturing a support substrate in polycrystalline SiC, which is economical and simplified. Said support substrate is also particularly suitable for the manufacture of a composite structure comprising a thin c-SiC layer placed on said p-SiC support substrate.
  • the invention relates to a process for manufacturing a support substrate in polycrystalline silicon carbide comprising the following steps: a) the growth of an initial substrate in polycrystalline silicon carbide on a seed in graphite or in silicon; at the end of step a), the initial substrate having a free front face and a rear face in contact with the seed, b) the formation of a carbon stiffening film, on the front face of the initial substrate, the initial substrate having, in the plane of its front face and just before the formation of the stiffening film, a first average size of silicon carbide grains, c) the removal of the seed, so as to free the rear face of the initial substrate, this last presenting, in the plane of its face behind and just after the removal of the seed, a second average size of silicon carbide grains, smaller than the first average size, d) the thinning of the rear face of the initial substrate, down to a thickness for which the initial substrate has, in the plane of its thinned rear face, a third average grain size equal to the first average grain size to within
  • the stiffening film has a thickness between lOOnm and several millimeters, for example 10mm;
  • the stiffening film has a thickness of between 100 nm and 10 ⁇ m;
  • the carbon stiffening film has a crystallographic structure of the diamond type or of the vitreous carbon type
  • step b) is carried out by spreading a polymer resin comprising carbon-carbon bonds preformed in three dimensions, in the form of a viscous layer, on the front face of the initial substrate, and by annealing at a temperature between 500 °C and 2000°C, to form the stiffening carbon film;
  • the polymer resin is based on coal tar, phenol formaldehyde, polyfurfuryl alcohol, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride, and/or polystyrene;
  • step b) is carried out by plasma deposition, deposition by ion bombardment or evaporation deposition; • the manufacturing process comprises a step a'), between step a) and step b), of grinding the front face and/or a perimeter of the initial substrate, to reduce a surface roughness of said face and/or a variation in thickness of said substrate, and/or to regularize its periphery;
  • step a′ comprises mechanical or mechano-chemical thinning
  • the manufacturing process comprises: a step e), after step d), of removing the stiffening film, and/or
  • step d or after step e), of heat treatment at a temperature greater than or equal to 1500°C.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a composite structure, implementing the above method and further comprising a step f) of transferring a thin layer of monocrystalline silicon carbide onto a first or onto a second face of the support substrate, directly or via an intermediate layer, to form the composite structure.
  • the intermediate layer is formed by the carbon stiffening film retained on the first face of the support substrate
  • the transfer of the thin layer is carried out on one of the faces of the support substrate and an additional carbon film is placed on the other free face of the support substrate prior to the transfer; • the additional film is removed, preferably after the composite structure has undergone all heat treatments at temperatures above 1400° C. required for its manufacture or that of components on and/or in said structure.
  • FIG. 2d Figures 2a to 2d show other steps of the manufacturing method according to the invention.
  • FIG. 3e Figures 3a to 3e show variants of steps of the manufacturing process according to the invention.
  • the same references in the figures may be used for elements of the same type.
  • the figures are schematic representations which, for the purpose of readability, are not to scale.
  • the thicknesses of the layers along the z axis are not to scale with respect to the lateral dimensions along the x and y axes; and the relative thicknesses of the layers between them are not necessarily observed in the figures.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a support substrate 10 made of polycrystalline silicon carbide (p-SiC).
  • the method firstly comprises a step a) of growing an initial substrate 1 of polycrystalline silicon carbide on a seed 2 of low quality graphite or monocrystalline or polycrystalline silicon carbide (FIG. la).
  • the seed 2 is preferably in the form of a wafer whose diameter is substantially that which is targeted for the support substrate 10, for example 100mm, 150mm, 200mm or even 300mm.
  • the growth of the initial p-SiC substrate 1 is carried out by a known technique of chemical vapor deposition (CVD), at a temperature typically between 1100° C. and 1500° C.
  • the precursors can be chosen from methylsilane, dimethyldichlorosilane or even dichlorosilane and i-butane, preferably with a C/Si ratio close to or greater than 1.
  • doping species such as nitrogen or phosphorus, for example
  • the doping levels usually targeted are greater than 1E18/cm 3 , or even greater than 1E20/cm 3 .
  • the initial substrate 1 has a free front face and a rear face 1b in contact with the seed 2.
  • the thickness of the initial substrate 1 is less than 1 mm, preferably less than 550 ⁇ m. It should be noted that the range of thicknesses usually desired, for a support substrate 10 intended for the development of a composite structure, is 100 ⁇ m-500 ⁇ m.
  • the initial substrate 1 may comprise silicon carbide grains of the 4H, 6H and/or 3C type, depending on the CVD deposition conditions.
  • the average size of the grains at the level of the rear face 1b of the initial substrate 1 is relatively small, typically less than or equal to 1 ⁇ m, or even less than or equal to 100 nm; said grains correspond to the p-SiC material produced at the start of CVD deposition (nucleation phase) on the graphite seed 2.
  • the size of a grain, delimited by the grain boundaries corresponds to the largest dimension of said grain, in the plane of the considered face of the substrate.
  • the mean size of the grains is defined by the mean of the sizes of the different grains in said plane.
  • SEM scanning electron microscopy
  • EBSD electron diffraction
  • X-ray crystallography When the face considered mainly comprises grains of micrometric size (typically from a few microns to a few tens of microns), very small grains, typically less than 50 nm, are preferentially excluded from the measurement, to limit measurement uncertainties.
  • the p-SiC grains increase in size, until they reach a relatively stable average size, for a deposition thickness which can vary between a few micrometers and a few tens of micrometers, depending on the conditions of deposit.
  • the average size of the grains at the level of the front face of said substrate 1 may typically vary between 1 and 10 ⁇ m.
  • the average size of the p-SiC grains at the level of the front face 1a of the initial substrate 1 will be called the first average size
  • the average size of the p-SiC grains at the level of the rear face 1b of the initial substrate 1 will be called second medium size.
  • the first average size of the p-SiC grains (front face side 1a) is greater than the second average grain size (rear face side 1b), the latter corresponding to the nucleation phase.
  • the manufacturing method then comprises a step b) of forming a carbon stiffening film 3, on the front face 1a of the initial substrate 1 (FIG. 1b).
  • the stiffening film 3 can have a thickness ranging from 100 nm to several millimeters, for example 10 mm. Preferably, its thickness is between 100 nm and 10 ⁇ m.
  • the carbon stiffening film 3 has a crystallographic structure of the diamond type, that is to say comprising sp3 carbon-carbon atomic bonds, or glassy carbon type, comprising carbon-carbon sp2 atomic bonds.
  • the stiffening film 3 can be formed by various conventional deposition techniques, such as in particular plasma deposition, deposition by ion bombardment or even deposition by evaporation.
  • step b) can be carried out by spreading a polymer resin comprising carbon-carbon bonds preformed in three dimensions, in the form of a viscous layer, on the front face 1a of the initial substrate 1. This spreading can be carried out by centrifugation. Then, annealing is applied at a temperature between 500° C. and 2000° C., typically between 600° C. and 1100° C., under nitrogen, to form the carbon stiffening film 3, by chemical decomposition of the resin (pyrolysis) . The temperature ramps are typically chosen on the order of 10° C./min and the duration of the annealing is on the order of an hour. The temperature rise is controlled so that the effective temperature remains below the resin/carbon glass transition temperature.
  • the polymeric resin can be formed from coal tar, phenol formaldehyde, polyfurfuryl alcohol, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride, and/or polystyrene, etc.
  • photosensitive resins can be used, such as the commercial products AZ-4330, AZ-P4620 (registered trademarks) (based on l-methoxy-2-propanol acetate, diazonaphthoquinonesulf onic esters, 2-methoxy -l- propanol acetate, Cresol novolak resin), OCG-825 (based on ethyl-3-ethoxypropionate), SU-8 2000 (based on cyclopentanone, triarylsulfonium/hexafluoroantimonate salts, propylene carbonate, epoxy resin), usually implemented for photolithography steps in the field of microelectronics.
  • commercial products AZ-4330, AZ-P4620 registered trademarks
  • OCG-825 based on ethyl-3-ethoxypropionate
  • SU-8 2000 based on cyclopentanone, triarylsulfonium/hexafluoroantimonate salts, propylene carbon
  • Epoxy resins such as for example the Epoxy Novolac EPON product (registered trademark), offered to cover and protect different surfaces in various fields (aeronautics, marine, automotive, construction, etc.), can also be used at the step b) of the process according to the invention.
  • the thickness contraction can typically be between 70% and 95%.
  • the carbon ratio i.e. the ratio between the mass of the polymer resin layer after pyrolysis (corresponding to the stiffening film 3) and the initial mass of the spread polymer resin layer, must be at least 5 %, preferably greater than 50%.
  • the manufacturing process may comprise a step a′), between step a) and step b), of grinding the front face 1a and/or a perimeter 1c of the initial substrate 1, to reduce a surface roughness of said face 1a and/or to reduce a variation in thickness of said substrate 1, and/or to regularize the periphery 1c.
  • Step a′) can comprise mechanical or mechanical-chemical thinning (polishing), with material removal of the order of a few microns to a few tens of microns.
  • the manufacturing method according to the invention then comprises a step c) of removing the seed 2, so as to free the rear face 1b of the initial substrate 1 (FIG. 1c).
  • the withdrawal can be carried out by burning the graphite, by applying a heat treatment, under an oxygen-rich atmosphere (air, for example), at a temperature above 400° C., preferably above 550°C.
  • any residues remain on the rear face 1b of the initial substrate 1 after removal of the seed 2, they can be burned (when they are made of graphite) or removed mechanically or chemically by polishing or etching (when they are made of graphite or in SiC).
  • This shrinkage typically generates a strong curvature of the initial substrate 1, which can go up to 500 ⁇ .m for a diameter of 150 mm.
  • This curvature is mainly due to the constraints associated with the difference in grain sizes between the second face 1b (nucleation grains, of low average size) and the first face 1a.
  • the carbon stiffening film 3 makes it possible to greatly limit the increase in curvature during the removal of the seed 2, by mechanically maintaining the initial substrate 1 by its front face 1a.
  • the curvature of the initial substrate 1, fitted with the carbon stiffening film 3, does not exceed 200 ⁇ m for a substrate diameter of 150 mm; or even, the curvature is maintained below 100 p.m.
  • the initial substrate 1 can be processed without problem in standard lines and equipment, without risk of breakage or failure of the equipment; these issues are essentially encountered for curvatures greater than 300 ⁇ m (diameter 150 mm).
  • the manufacturing method finally comprises a step d) of thinning the rear face 1b of the initial substrate 1.
  • the initial thinned substrate 1 forms the support substrate 10 (FIG. Id).
  • step d) is carried out by mechanical grinding, mechanical polishing and/or mechanical-chemical polishing of the rear face 1b.
  • the removal of material is typically between a few tens of microns and 200 ⁇ m, depending on the thickness of the initial substrate 1 at the start of step d), and of course depending on the target thickness for the substrate support 10.
  • the thinning is carried out to a thickness for which the initial substrate 1 has, in the plane of its thinned rear face 1b', a third average grain size equal to the first average grain size to within +/- 30% .
  • the first average size is for example 5 ⁇ m
  • the third average size is expected between 4 ⁇ m and 6 ⁇ m.
  • the grain sizes in the plane of the front face 1a or in the plane of the rear face 1b are distributed according to a double population, each peak following a substantially Gaussian distribution.
  • the average grain size is calculated by taking the overall average including the two populations, and the first and third average sizes must not differ by more than 30%.
  • the first two average sizes will be taken into consideration (corresponding to the double population on the side of the front face la) and the two third average sizes (corresponding to the double population on the side of the rear face 1b), which must not differ from each other by more than 30%.
  • the thinned rear face 1b' of the initial substrate 1 has an average grain size in p-SiC differing by less than 30% from the average grain size of the front face 1a.
  • the residual stress in the initial thinned substrate 1 (which forms the support substrate 10) is then compatible with a low curvature, and at the very least manageable in the manufacturing lines.
  • the manufacturing process can then comprise a step e) of removing the stiffening film 3, for example by dry or wet chemical etching (FIG. 1e). After this shrinkage, the support substrate 10 has a curvature of less than 200 ⁇ m, or even less than 100 ⁇ m (for a diameter of 150 mm), due to the reduced residual stress in its volume.
  • the support substrate 10 has a first face 10a, a second face 10b and an edge 10c, corresponding respectively to the front face 1a, to the thinned rear face 1b' and to the edge 1e of the initial substrate 1 after step d).
  • an initial substrate 1 of 500 ⁇ m can be produced on the seed 2, the initial substrate 1 having a first average size of p-SiC grains at its front face the of the order of 4 ⁇ m.
  • a step of correcting the uniformity of the thickness of the initial substrate 1 can be carried out, for example via a removal of 50 ⁇ m.
  • a 4 ⁇ m carbon stiffening film 3 is formed on this front face 1a.
  • the second average grain size at the level of the rear face 1b of the initial substrate 1 is less than 100 nm; but the curvature of initial substrate 1, due to the presence of the stiffening film 3, is kept below 150 ⁇ m.
  • a removal of 100 ⁇ m at its rear face 1b is operated, and the third average size of p-SiC grains at the level of the thinned rear face 1b′, of the order of 3 ⁇ m, respects the condition of equality at 30 % close to the first average grain size.
  • the curvature of the support substrate 10 is less than 200 ⁇ m and compatible with subsequent stages of manufacture of a composite structure 100.
  • a surface treatment can be applied to the first face 10a of the support substrate 10, in particular if this face 10a is intended to receive the thin layer 20 of the composite structure 100, at a step f ) later in the process.
  • This surface treatment may include mechanical rectification, mechanical-chemical polishing or other chemical cleanings, depending on the surface roughness of the first face 10a.
  • step d) If the second face 10b of the support substrate 10 is intended to receive the thin layer 20, and step d) has not made it possible to achieve a sufficiently low level of roughness (typically ⁇ Inm RMS, measured by force microscopy atomic on 20 ⁇ .mx20 ⁇ m scans), an additional surface treatment may also be applied.
  • a sufficiently low level of roughness typically ⁇ Inm RMS, measured by force microscopy atomic on 20 ⁇ .mx20 ⁇ m scans
  • the face of the support substrate 10 intended to form the rear face of the composite structure 100 may have a greater surface roughness, for example of the order of lOnm RMS.
  • the manufacturing process may also comprise a heat treatment, after step d) or after step e), at a temperature greater than or equal to 1500°C, typically between 1500°C and 1900°C, so as to stabilize poly structure crystal of the support substrate 10. Indeed, these temperature ranges are likely to be applied later in the process, in particular for the manufacture of a composite structure.
  • a support substrate 10 having mechanical characteristics compatible with the specifications of a composite structure for microelectronic applications, can be obtained in a simple manner, without requiring the deposition of an initial substrate p- Very thick SiC, which is more than 80% eliminated, to select a tiny useful portion of p-SiC, as is practiced in the methods of the state of the art.
  • the thickness of the initial substrate 1 formed is less than or equal to 1 mm and the removal of material at its front face 1a and/or from its rear face 1b is less than 70%. , or even less than 50% of the initial thickness, which saves material and technological steps.
  • the manufacturing method according to the invention can continue with a step f) of transferring a useful layer 20 of monocrystalline silicon carbide onto the support substrate 10, based on a bonding by molecular adhesion (figure If).
  • step f) of the process involves implantation of light species according to the principle of the Smart Cut® process.
  • a donor substrate 21 in monocrystalline silicon carbide, from which the useful layer 20 will come is provided (FIG. 2a).
  • the donor substrate 1 is preferably in the form of a wafer with a diameter of 100mm, 150mm, 200mm or even 300mm (identical to or very close to that of the support substrate 10) and with a thickness typically comprised between 300 ⁇ m and 800 ⁇ m. It has a front face 21a and a rear face 21b.
  • the surface roughness of the front face 1a is advantageously chosen to be less than Inm RMS, or even less than 0.5 nm RMS, measured by atomic force microscopy (AFM) on a scan of 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m.
  • the donor substrate 21 can be of 4H or 6H polytype, and have an n or p type doping, depending on the requirements of the components which will be produced on and/or in the useful layer 20 of the composite structure 100.
  • a second phase f2) corresponds to the introduction of light species into the donor substrate 21 to form a buried fragile plane 22 delimiting, with a front face 21a of the donor substrate 21, the useful layer 20 to be transferred (FIG. 2b).
  • the light species are preferably hydrogen, helium or a co-implantation of these two species, and are implanted at a determined depth in the donor substrate 21, consistent with the thickness of the targeted useful layer 20 . These light species will form, around the determined depth, microcavities distributed in a fine layer parallel to the free surface 21a of the donor substrate 21, ie parallel to the plane (x,y) in the figures. This thin layer is called the buried fragile plane 22, for simplicity.
  • the implantation energy of the light species is chosen so as to reach the determined depth.
  • hydrogen ions will be implanted at an energy of between 10 keV and 250 keV, and at a dose of between 5 E 16/cm 2 and 1 E 17/cm 2 , to delimit a useful layer 20 having a thickness of l order of 100nm to 1500nm.
  • a protective layer may be deposited on the front face 21a of the donor substrate 21, prior to the ion implantation step. This protective layer can be composed of a material such as silicon oxide or silicon nitride for example. It is removed prior to the next phase.
  • an intermediate layer 4 can be formed on the front face 21a of the donor substrate 21, before or after the second phase f2) of introduction of the light species (FIGS. 3b, 3c, 3d, 3e).
  • This intermediate layer 4 can be made of a semiconductor material, for example silicon or silicon carbide, or of a metallic material such as tungsten, titanium, etc.
  • the thickness of the intermediate layer 4 is advantageously limited, typically between a few nanometers and a few tens of nanometers.
  • the implantation energy (and potentially the dose) of the light species will be adjusted when crossing this additional layer.
  • care will be taken to form this layer by applying a thermal budget lower than the bubbling thermal budget, said bubbling thermal budget corresponding to the appearance of blisters on the surface of the donor substrate 21 due to growth and excessive pressurization of the microcavities in the buried fragile plane 22.
  • Transfer step f) then comprises a third phase f3) of assembling the donor substrate 21, on the side of its front face 21a, on the support substrate 10, on the side of its first face 10a or its second face 10b, by bonding by molecular adhesion, along a bonding interface 30 (FIG. 2c).
  • an intermediate layer 4' can also be deposited on the face to be assembled of the substrate support 10, prior to assembly phase f3) (FIGS. 3d, 3e); it can be chosen of the same nature or of a different nature from the intermediate layer 4 mentioned for the donor substrate 21.
  • An intermediate layer 4,4' can optionally be deposited only on one or the other of the two substrates 21, 10 to assemble.
  • the objective of the intermediate layer(s) is essentially to promote the bonding energy (especially in the range of temperatures below 1100°C), due to the formation of covalent bonds at more lower temperatures than in the case of two SiC surfaces assembled directly; another advantage of this (these) intermediate layer(s) may be to improve the vertical electrical conduction of the bonding interface 30.
  • the intermediate layer can be formed by the carbon stiffening film 3, kept on the first face 10a of the support substrate 10 (FIGS. 3a, 3c).
  • step e) of the manufacturing method according to the invention is not carried out and the face to be assembled of the support substrate 10 is its first face 10a provided with the film 3.
  • preference will be given to a carbon film with a crystallographic structure of the diamond type.
  • an additional carbon film 5 is placed on the face opposite the face to be assembled of the support substrate 10, always prior to the assembly phase f3) (FIG. 3e). Its characteristics can for example be chosen from those proposed for the stiffening film 3 previously in this description.
  • this additional film 5 can be implemented in any of the possible configurations mentioned, in particular those illustrated in FIGS. 3a to 3c.
  • the additional film 5 can be removed later, preferably after the composite structure 100 has undergone all heat treatments at temperatures above 1400° C. required for its manufacture or that of components on and/or in said structure 100.
  • the assembly phase f3) may comprise, prior to bringing the faces 21a, 10a to be assembled into contact, conventional sequences of chemical cleaning (for example, RCA cleaning), surface activation (for example, by oxygen or nitrogen plasma) or other surface preparations (such as cleaning by brushing (“scrubbing”), likely to promote the quality of the bonding interface 30 (low defectivity, high adhesion energy).
  • a fourth phase f4) comprises the separation along the buried fragile plane 22, which leads to the transfer of the useful layer 20 onto the support substrate 10 (FIG. 2d).
  • the separation along the buried fragile plane 22 usually takes place by the application of a heat treatment at a temperature between 800°C and 1200°C. Such a heat treatment induces the development of cavities and microcracks in the buried fragile plane 22, and their pressurization by the light species present in gaseous form, until the propagation of a fracture along said fragile plane 22.
  • a mechanical stress can be applied to the bonded assembly and in particular at the level of the buried fragile plane 22, so as to propagate or help to mechanically propagate the fracture leading to separation.
  • the semiconductor structure 100 comprising the support substrate 10 and the useful layer 20 transferred in monocrystalline SiC, and on the other hand, the remainder 21' of the donor substrate.
  • the level and the type of doping of the useful layer 20 are defined by the choice of the properties of the donor substrate 21 or can be adjusted subsequently via known techniques for doping semiconductor layers.
  • the free surface 20a of the useful layer 20 is usually rough after separation: for example, it has a roughness of between 5 nm and 100 nm RMS (AFM, scan 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m).
  • Cleaning and/or smoothing phases can be applied to restore a good surface state (typically, a roughness lower than a few Angstroms RMS on a 20 ⁇ m x 20 ⁇ m scan by AFM).
  • these phases can comprise a mechanical-chemical smoothing treatment of the free surface of the useful layer 20.
  • a removal of between 50 nm and 300 nm makes it possible to effectively restore the surface state of said layer 20.
  • They can also comprise at minus one treatment thermal at a temperature between 1300°C and 1800°C.
  • Such a heat treatment is applied to evacuate the residual light species from the useful layer 20 and to promote the rearrangement of the crystal lattice of the useful layer 20. It also makes it possible to reinforce the bonding interface 30.
  • the heat treatment can also include or correspond to an epitaxy of silicon carbide on the thin layer 20.
  • transfer step f) can include a step of reconditioning the rest 21' of the donor substrate with a view to reuse as donor substrate 21 for a new composite structure 100.
  • Mechanical and/or chemical treatments similar to those applied to the composite structure 100, can be implemented at the level of the front face 21'a of the remaining substrate 21'.
  • the composite structure 100 obtained is extremely robust to heat treatments at very high temperatures that may be applied to improve the quality of the useful layer 20 or to manufacture components on and/or in said layer 20.
  • the composite structure 100 according to the invention is particularly suitable for producing one (or more) high-voltage microelectronic component(s), such as for example Schottky diodes, MOSFET transistors, etc. It responds more generally to power microelectronic applications, by allowing excellent vertical electrical conduction, good thermal conductivity and by providing a useful layer in high quality c-SiC.
  • high-voltage microelectronic component(s) such as for example Schottky diodes, MOSFET transistors, etc. It responds more generally to power microelectronic applications, by allowing excellent vertical electrical conduction, good thermal conductivity and by providing a useful layer in high quality c-SiC.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat support en carbure de silicium poly-cristallin comprenant les étapes suivantes : a) la croissance d'un substrat initial en carbure de silicium poly-cristallin sur un germe en graphite ou en carbure de silicium; à l'issue de l'étape a), le substrat initial présentant une face avant libre et une face arrière en contact avec le germe, b) la formation d'un film raidisseur en carbone, sur la face avant du substrat initial, le substrat initial présentant, dans le plan de sa face avant et juste avant la formation du film raidisseur, une première taille moyenne de grains de carbure de silicium, c) le retrait du germe, de manière à libérer la face arrière du substrat initial, ce dernier présentant, dans le plan de sa face arrière et juste après le retrait du germe, une deuxième taille moyenne de grains de carbure de silicium, inférieure à la première taille moyenne, d) l'amincissement de la face arrière du substrat initial, jusqu'à une épaisseur pour laquelle le substrat initial présente, dans le plan de sa face arrière amincie, une troisième taille moyenne de grains égale à la première taille moyenne de grains à +/- 30% près, le substrat initial aminci formant le substrat support.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT SUPPORT EN
CARBURE DE SILICIUM POLY-CRISTALLIN
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des matériaux semi- conducteurs pour composants microélectroniques. Elle concerne en particulier un procédé de fabrication d'un substrat support en carbure de silicium poly-cristallin, particulièrement adapté à l'élaboration d'une structure composite comprenant une couche mince en carbure de silicium monocristallin disposée sur ledit substrat support.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Le SiC est de plus en plus largement utilisé pour la fabrication de dispositifs de puissance innovants, pour répondre aux besoins de domaines montants de l'électronique, comme notamment les véhicules électriques. En effet, les dispositifs de puissance et les systèmes intégrés d'alimentation basés sur du carbure de silicium monocristallin peuvent gérer une densité de puissance beaucoup plus élevée par rapport à leurs homologues traditionnels en silicium, et ce avec des dimensions de zone active inférieures.
Les substrats en SiC monocristallin (c-SiC) de haute qualité, destinés à l'industrie microélectronique, restent néanmoins chers et difficiles à approvisionner en grande taille. Il est donc avantageux de recourir à des solutions de transfert de couches, pour élaborer des structures composites comprenant typiquement une couche mince en SiC monocristallin (issue du substrat en c-SiC de haute qualité) sur un substrat support plus bas coût, par exemple en SiC poly-cristallin (p-SiC). Une solution de transfert de couche mince bien connue est le procédé Smart Cut®, basé sur une implantation d'ions légers et sur un assemblage, par collage direct, au niveau d'une interface de collage.
Le document US2019153616 propose un procédé de fabrication d'un substrat support en p-SiC sur lequel peut être reportée une couche mince en c-SiC. Le substrat support comprend des grains de taille moyenne de l'ordre de 10μm et présente un taux de variation de la taille de grain entre ses faces avant et arrière, ramené à son épaisseur, inférieur ou égal à 0,43% ; cette dernière caractéristique permet de limiter la contrainte résiduelle dans le substrat support et donc sa courbure.
Le procédé de fabrication implique un premier substrat de base en carbone sur lequel une couche épaisse (typiquement 2mm) en p- SiC est élaborée par dépôt chimique en phase vapeur. Un deuxième substrat de base en p-SiC, d'environ 350μm d'épaisseur, est extrait de la couche épaisse de p-SiC, par retrait du premier substrat de base en carbone et par amincissement mécanique des deux faces de la couche épaisse. Le deuxième substrat de base présente un taux de variation de la taille de grains entre ses faces avant et arrière, ramené à son épaisseur, inférieur ou égal à 0,43%. Une nouvelle couche de p-SiC (typiquement de l'ordre de 400μm) est ensuite formée par dépôt chimique en phase vapeur sur le deuxième substrat de base : séparée du deuxième substrat de base, par exemple par irradiation laser, cette nouvelle couche de p-SiC constitue le substrat support en p-SiC destiné à être utilisé dans une structure composite. Le deuxième substrat de base peut ensuite être réutilisé.
En pratique, l'étape consistant à former le deuxième substrat de base peut s'avérer complexe car le retrait du premier substrat de base en carbone induit généralement une courbure de la couche épaisse en p-SiC très importante, qui peut provoquer la casse de ladite couche épaisse, ou tout au moins qui complique, voire empêche la réalisation de l'étape d'amincissement requise pour atteindre l'épaisseur du deuxième substrat de base. En outre, cet amincissement est très substantiel (de l'ordre de 1,5mm) et coûteux en matériau p-SiC et en étapes de dépôt et d'amincissement .
OBJET DE L'INVENTION
La présente invention propose un procédé de fabrication adressant la problématique précitée. Elle concerne un procédé de fabrication d'un substrat support en SiC poly-cristallin, économique et simplifié. Ledit substrat support est en outre particulièrement adapté à la fabrication d'une structure composite comportant une couche mince en c-SiC disposée sur ledit substrat support en p-SiC.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat support en carbure de silicium poly-cristallin comprenant les étapes suivantes : a) la croissance d'un substrat initial en carbure de silicium poly-cristallin sur un germe en graphite ou en carbure de silicium ; à l'issue de l'étape a), le substrat initial présentant une face avant libre et une face arrière en contact avec le germe, b) la formation d'un film raidisseur en carbone, sur la face avant du substrat initial, le substrat initial présentant, dans le plan de sa face avant et juste avant la formation du film raidisseur, une première taille moyenne de grains de carbure de silicium, c) le retrait du germe, de manière à libérer la face arrière du substrat initial, ce dernier présentant, dans le plan de sa face arrière et juste après le retrait du germe, une deuxième taille moyenne de grains de carbure de silicium, inférieure à la première taille moyenne, d) l'amincissement de la face arrière du substrat initial, jusqu'à une épaisseur pour laquelle le substrat initial présente, dans le plan de sa face arrière amincie, une troisième taille moyenne de grains égale à la première taille moyenne de grains à +/- 30% près, le substrat initial aminci formant le substrat support.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
• le film raidisseur présente une épaisseur comprise entre lOOnm et plusieurs millimètres, par exemple 10mm ;
• le film raidisseur présente une épaisseur comprise entre lOOnm et 10μm ;
• le film raidisseur en carbone présente une structure cristallographique de type diamant ou de type carbone vitreux ;
• l'étape b) est réalisée par étalement d'une résine polymère comportant des liaisons carbone-carbone préformées dans les trois dimensions, sous forme de couche visqueuse, sur la face avant du substrat initial, et par recuit à une température comprise entre 500°C et 2000°C, pour former le film raidisseur en carbone ;
• la résine polymère est à base de goudron de houille, de phénol formaldéhyde, d'alcool polyfurfurylique, d'alcool polyvinylique, de polyacrylonitrile, de chlorure de polyvinylidène, et/ou de polystyrène ;
• l'étape b) est réalisée par dépôt par plasma, dépôt par bombardement d'ions ou dépôt par évaporation ; • le procédé de fabrication comprend une étape a'), entre l'étape a) et l'étape b), de rectification de la face avant et/ou d'un pourtour du substrat initial, pour diminuer une rugosité de surface de ladite face et/ou une variation d'épaisseur dudit substrat, et/ou pour régulariser son pourtour ;
• l'étape a') comprend un amincissement mécanique ou mécano- chimique ;
• le procédé de fabrication comprend : une étape e), après l'étape d), de retrait du film raidisseur, et/ou
- une étape, après l'étape d) ou après l'étape e), de traitement thermique à une température supérieure ou égale à 1500°C.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une structure composite, mettant en œuvre le procédé ci-dessus et comprenant en outre une étape f) de transfert d'une couche mince en carbure de silicium monocristallin sur une première ou sur une deuxième face du substrat support, directement ou via une couche intermédiaire, pour former la structure composite.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
• la couche intermédiaire est formée par le film raidisseur en carbone conservé sur la première face du substrat support ;
• le transfert de la couche mince est réalisé sur l'une des faces du substrat support et un film additionnel en carbone est disposé sur l'autre face libre du substrat support préalablement au transfert ; • le film additionnel est retiré, préférentiellement après que la structure composite ait subi tous traitements thermiques à températures supérieures à 1400°C requis pour sa fabrication ou celle de composants sur et/ou dans ladite structure.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
[Fig. la]
[Fig. 1b]
[Fig. le]
[Fig. Id]
[Fig. le]
[Fig. If] Les figures la à If présentent des étapes d'un procédé de fabrication conforme à l'invention ;
[Fig. 2a]
[Fig. 2b]
[Fig. 2c]
[Fig. 2d] Les figures 2a à 2d présentent d'autres étapes du procédé de fabrication conforme à l'invention ;
[Fig. 3a]
[Fig. 3b]
[Fig. 3c]
[Fig. 3d]
[Fig. 3e] Les figures 3a à 3e présentent des variantes d'étapes du procédé de fabrication conforme à l'invention. Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l'échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l'axe z ne sont pas à l'échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y ; et les épaisseurs relatives des couches entre elles ne sont pas nécessairement respectées sur les figures.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat support 10 en carbure de silicium poly-cristallin (p- SiC).
Le procédé comprend en premier lieu une étape a) de croissance d'un substrat initial 1 en carbure de silicium poly-cristallin sur un germe 2 en graphite ou en carbure de silicium monocristallin ou poly-cristallin de faible qualité (figure la). Le germe 2 se présente préférentiellement sous la forme d'une plaquette dont le diamètre est sensiblement celui qui est visé pour le substrat support 10, par exemple 100mm, 150mm, 200mm voire 300mm.
La croissance du substrat initial 1 en p-SiC est opérée par une technique connue de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), à une température typiquement comprise entre 1100°C et 1500°C. Les précurseurs peuvent être choisis parmi le methylsilane, le diméthyldichlorosilane ou encore le dichlorosilane et i-butane, préférentiellement avec un rapport C/Si proche ou supérieur à 1. Optionnellement, des espèces dopantes (telles que l'azote ou le phosphore, par exemple) pourront être introduites au cours du dépôt CVD, de manière à ajuster la résistivité du substrat initial 1 (dont sera issu le substrat support 10) aux spécifications du produit final, en particulier de la structure composite visée. Les niveaux de dopage habituellement visés sont supérieurs à 1E18/cm3, voire supérieurs à 1E20/cm3.
A l'issue de l'étape a), le substrat initial 1 présente une face avant la libre et une face arrière 1b en contact avec le germe 2. L'épaisseur du substrat initial 1 est inférieure à 1mm, préférentiellement inférieure à 550μm. Notons que la gamme d'épaisseurs habituellement souhaitée, pour un substrat support 10 destiné à l'élaboration d'une structure composite, est lOOμm - 500μm .
Le substrat initial 1 peut comporter des grains de carbure de silicium de type 4H, 6H et/ou 3C, selon les conditions de dépôt CVD.
La taille moyenne des grains au niveau de la face arrière 1b du substrat initial 1 est relativement faible, typiquement inférieure ou égale à Iμm, voire inférieure ou égale à lOOnm ; lesdits grains correspondent au matériau p-SiC élaboré en début de dépôt CVD (phase de nucléation) sur le germe de graphite 2.
Rappelons que la taille d'un grain, délimité par les joints de grains, correspond à la plus grande dimension dudit grain, dans le plan de la face considérée du substrat. On définit la taille moyenne des grains par la moyenne des tailles des différents grains dans ledit plan. Pour mesurer les dimensions des grains ou distances entre joints de grain, il est possible de se baser sur des images obtenues par microscopie électronique à balayage (MEB) classique ou impliquant une diffraction électronique (EBSD « Electron Back Scattered Diffraction »). Il est également envisageable d'utiliser des cristallographies par rayons X. Lorsque la face considérée comprend majoritairement des grains de taille micrométrique (typiquement de quelques microns à quelques dizaines de microns), les grains de très petite taille, typiquement inférieure à 50nm, sont préférentiellement exclus de la mesure, pour limiter les incertitudes de mesure.
Au fur et à mesure du dépôt CVD, les grains de p-SiC augmentent en taille, jusqu'à atteindre une taille moyenne relativement stable, pour une épaisseur de dépôt qui peut varier entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres, selon les conditions de dépôt.
Ainsi, selon l'épaisseur déposée de p-SiC pour croître le substrat initial 1, la taille moyenne des grains au niveau de la face avant dudit substrat 1 pourra typiquement varier entre 1 et 10 μm.
Par la suite, la taille moyenne des grains p-SiC au niveau de la face avant la du substrat initial 1 sera appelée première taille moyenne, et la taille moyenne des grains de p-SiC au niveau de la face arrière 1b du substrat initial 1 sera appelée deuxième taille moyenne.
La première taille moyenne des grains p-SiC (côté face avant la) est supérieure à la deuxième taille moyenne des grains (côté face arrière 1b), cette dernière correspondant à la phase de nucléation.
Le procédé de fabrication comprend ensuite une étape b) de formation d'un film raidisseur 3 en carbone, sur la face avant la du substrat initial 1 (figure 1b). Le film raidisseur 3 peut présenter une épaisseur allant de lOOnm à plusieurs millimètres, par exemple 10mm. Préférentiellement, son épaisseur est comprise entre lOOnm et 10μm.
Avantageusement, le film raidisseur 3 en carbone présente une structure cristallographique de type diamant, c'est-à-dire comportant des liaisons atomiques carbone-carbone sp3, ou de type carbone vitreux, comportant des liaisons atomiques carbone- carbone sp2.
Le film raidisseur 3 peut être formé par différentes techniques de dépôt classiques, comme notamment un dépôt par plasma, un dépôt par bombardement d'ions ou encore un dépôt par évaporation.
Alternativement, l'étape b) peut être réalisée par étalement d'une résine polymère comportant des liaisons carbone-carbone préformées dans les trois dimensions, sous forme de couche visqueuse, sur la face avant la du substrat initial 1. Cet étalement peut être effectué par centrifugation. Puis, un recuit est appliqué à une température comprise entre 500°C et 2000°C, typiquement entre 600°C et 1100°C, sous azote, pour former le film raidisseur 3 en carbone, par décomposition chimique de la résine (pyrolyse). Les rampes en température sont typiquement choisies de l'ordre de 10°C/min et la durée du recuit est de l'ordre de l'heure. La montée en températures est contrôlée de sorte que la température effective demeure inférieure à la température de transition vitreuse résine/carbone.
La résine polymère peut être formée de goudron de houille, de phénol formaldéhyde, d'alcool polyfurfurylique, d'alcool polyvinylique, de polyacrylonitrile, de chlorure de polyvinylidène, et/ou de polystyrène, etc.
A titre d'exemple, des résines photosensibles connues peuvent être utilisées, telles que les produits commerciaux AZ-4330, AZ- P4620 (marques déposées) (à base de l-methoxy-2-propanol acetate, esters diazonaphthoquinonesulf onic, 2-methoxy-l- propanol acetate, résine Cresol novolak), OCG-825 (à base d'ethyl-3-ethoxypropionate) , SU-8 2000 (à base de cyclopentanone, sels triarylsulfonium/hexaf luoroantimonate, propylene carbonate, résine epoxy), habituellement mis en œuvre pour des étapes de photolithographie dans le domaine de la microélectronique .
Des résines époxy, telles que par exemple le produit Epoxy Novolac EPON (marque déposée), proposé pour recouvrir et protéger différentes surfaces dans des domaines variés (aéronautique, marine, automobile, construction...), peuvent également être mises en œuvre à l'étape b) du procédé selon 1'invention.
Dans le cas d'utilisation de résines, il est important de tenir compte de la contraction que la couche visqueuse de résine va subir lors du recuit, pour définir son épaisseur initiale suffisante en vue de l'obtention de l'épaisseur de film raidisseur 3 visée. La contraction en épaisseur peut être typiquement entre 70% et 95%. Le ratio carbone, c'est-à-dire le ratio entre la masse de la couche de résine polymère après pyrolyse (correspondant au film raidisseur 3) et la masse initiale de la couche de résine polymère étalée, doit être d'au moins 5%, préférentiellement supérieur à 50%.
Optionnellement, le procédé de fabrication peut comprendre une étape a'), entre l'étape a) et l'étape b), de rectification de la face avant la et/ou d'un pourtour 1c du substrat initial 1, pour diminuer une rugosité de surface de ladite face la et/ou diminuer une variation d'épaisseur dudit substrat 1, et/ou pour régulariser le pourtour 1c.
L'étape a') peut comprendre un amincissement mécanique ou mécano-chimique (polissage), avec un enlèvement de matière de l'ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns.
Le procédé de fabrication selon l'invention comprend ensuite une étape c) de retrait du germe 2, de manière à libérer la face arrière 1b du substrat initial 1 (figure 1c). Lorsque le germe 2 est en graphite, le retrait peut être effectué en brûlant le graphite, en appliquant un traitement thermique, sous atmosphère riche en oxygène (l'air, par exemple), à une température supérieure à 400°C, préférentiellement supérieure à 550°C.
Il est également envisageable de détacher mécaniquement le germe 2, qu'il soit en graphite ou en carbure de silicium, par exemple par application localisée d'une contrainte mécanique, à ou proche de l'interface entre le germe 3 et le substrat initial 1.
Si d'éventuels résidus subsistent sur la face arrière 1b du substrat initial 1 après retrait du germe 2, ils peuvent être brûlés (lorsqu'ils sont en graphite) ou retirés mécaniquement ou chimiquement par polissage ou gravure (lorsqu'ils sont en graphite ou en SiC).
Ce retrait génère classiquement une forte courbure du substrat initial 1, pouvant aller jusqu'à 500μ.m pour un diamètre de 150mm. Cette courbure est principalement due aux contraintes associées à la différence de tailles de grains entre la deuxième face 1b (grains de nucléation, de taille moyenne faible) et la première face la.
Dans le cadre de l'invention, le film raidisseur 3 en carbone permet de limiter grandement l'augmentation de courbure lors du retrait du germe 2, en maintenant mécaniquement le substrat initial 1 par sa face avant la. La courbure du substrat initial 1, muni du film raidisseur 3 en carbone, n'excède pas 200μm pour un diamètre de substrat de 150 mm ; voire même, la courbure est maintenue inférieure à 100p.m. Dans ces gammes de courbure, le substrat initial 1 peut être traité sans problème dans des lignes et des équipements standard, sans risque de casse ou de mise en défaut des équipements ; ces problématiques sont essentiellement rencontrées pour des courbures supérieures à 300μm (diamètre 150 mm).
Le procédé de fabrication comprend enfin une étape d) d'amincissement de la face arrière 1b du substrat initial 1. Le substrat initial 1 aminci forme le substrat support 10 (figure Id).
L'amincissement de l'étape d) est réalisé par rectification mécanique, polissage mécanique et/ou polissage mécano-chimique de la face arrière 1b. L'enlèvement de matière est typiquement compris entre quelques dizaines de microns et 200μm, en fonction de l'épaisseur du substrat initial 1 à l'entrée de l'étape d), et bien sûr en fonction de l'épaisseur visée pour le substrat support 10.
L'amincissement est opéré jusqu'à une épaisseur pour laquelle le substrat initial 1 présente, dans le plan de sa face arrière amincie 1b', une troisième taille moyenne de grains égale à la première taille moyenne de grains à +/- 30% près. Autrement dit, si la première taille moyenne est par exemple de 5μm, la troisième taille moyenne est attendue entre 4μm et 6μm.
Il peut arriver que les tailles de grains dans le plan de la face avant la ou dans le plan de la face arrière 1b se répartissent selon une double population, chaque pic suivant une distribution sensiblement gaussienne. Selon une première option, la taille moyenne de grains est calculée en effectuant la moyenne globale incluant les deux populations, et les première et troisième tailles moyennes ne doivent pas différer de plus de 30%. Selon une deuxième option, on prendra en considération les deux premières tailles moyennes (correspondant à la double population du côté de la face avant la) et les deux troisièmes tailles moyennes (correspondant à la double population du côté de la face arrière 1b), qui ne devront pas différer respectivement entre elles de plus de 30%.
Après l'amincissement de l'étape d), la face arrière amincie 1b' du substrat initial 1 présente une taille moyenne de grains en p-SiC différant de moins de 30% de la taille moyenne de grains de la face avant la. La contrainte résiduelle dans le substrat initial 1 aminci (qui forme le substrat support 10) est alors compatible avec une courbure faible, et tout le moins gérable dans les lignes de fabrication.
Le procédé de fabrication peut alors comprendre une étape e) de retrait du film raidisseur 3, par exemple par gravure chimique sèche ou humide (figure 1e). Après ce retrait, le substrat support 10 présente une courbure inférieure à 200μm, voire inférieure à 100μm (pour un diamètre de 150 mm), du fait de la contrainte résiduelle réduite dans son volume.
A ce stade, le substrat support 10 présente une première face 10a, une deuxième face 10b et un bord 10c, correspondant respectivement à la face avant la, à la face arrière amincie 1b' et au bord 1e du substrat initial 1 après l'étape d).
A titre d'exemple, pour former un substrat support de 350μm d'épaisseur et de diamètre 150mm, on peut élaborer un substrat initial 1 de 500μm sur le germe 2, le substrat initial 1 présentant une première taille moyenne de grains de p-SiC au niveau de sa face avant la de l'ordre de 4μm. Une étape de correction de l'uniformité de l'épaisseur du substrat initial 1 peut être réalisée, par exemple via un enlèvement de 50μm. Un film raidisseur 3 en carbone de 4μm est formé sur cette face avant la. Après le retrait du germe de graphite 2, la deuxième taille moyenne de grains au niveau de la face arrière 1b du substrat initial 1 est inférieure à 100nm ; mais la courbure du substrat initial 1, du fait de la présence du film raidisseur 3, est maintenue inférieure à 150μm. Un enlèvement de 100μm au niveau de sa face arrière 1b est opéré, et la troisième taille moyenne de grains de p-SiC au niveau de la face arrière amincie lb', de l'ordre de 3μm, respecte la condition d'égalité à 30% près vis-à-vis de la première taille moyenne de grains. Ainsi, après retrait du film raidisseur 3, la courbure du substrat support 10 est inférieure à 200μm et compatible avec des étapes ultérieures de fabrication d'une structure composite 100.
Optionnellement, après l'étape e), un traitement de surface peut être appliqué à la première face 10a du substrat support 10, en particulier si cette face 10a est destinée à recevoir la couche mince 20 de la structure composite 100, à une étape f) ultérieure du procédé. Ce traitement de surface peut comprendre une rectification mécanique, un polissage mécano-chimique ou autres nettoyages chimiques, en fonction de la rugosité de surface de la première face 10a.
Si la deuxième face 10b du substrat support 10 est destinée à recevoir la couche mince 20, et que l'étape d) n'a pas permis d'atteindre un niveau de rugosité suffisamment faible (typiquement < Inm RMS, mesurée par microscopie à force atomique sur des scans de 20μ.mx20μm), un traitement de surface additionnel pourra également lui être appliqué.
La face du substrat support 10 destinée à former la face arrière de la structure composite 100 peut présenter une rugosité de surface plus importante, par exemple de l'ordre de lOnm RMS.
Le procédé de fabrication peut également comprendre un traitement thermique, après l'étape d) ou après l'étape e), à une température supérieure ou égale à 1500°C, typiquement entre 1500°C et 1900°C, de manière à stabiliser la structure poly- cristalline du substrat support 10. En effet, ces gammes de températures sont susceptibles d'être appliquées plus tard dans le procédé, notamment pour la fabrication d'une structure composite.
Grâce au procédé de fabrication selon la présente invention, un substrat support 10, présentant des caractéristiques mécaniques compatibles avec les spécifications d'une structure composite pour applications microélectroniques, peut être obtenu de manière simple, sans nécessiter le dépôt d'un substrat initial p-SiC de très forte épaisseur, laquelle est à plus de 80% éliminée, pour sélectionner une infime portion utile de p-SiC, comme cela est pratiqué dans les procédés de l'état de l'art. Dans le procédé de fabrication selon l'invention, l'épaisseur de substrat initial 1 formé est inférieure ou égale à 1mm et l'enlèvement de matière au niveau de sa face avant la et/ou de sa face arrière 1b est inférieur à 70%, voire inférieur à 50% de l'épaisseur initiale, ce qui procure une économie de matière et d'étapes technologiques.
Dans le cadre de l'élaboration d'une structure composite 100, le procédé de fabrication selon l'invention peut se poursuivre par une étape f) de transfert d'une couche utile 20 en carbure de silicium monocristallin sur le substrat support 10, basée sur un collage par adhésion moléculaire (figure If).
Il existe différentes options, connues de l'état de la technique pour effectuer un transfert de couche, qui ne seront pas décrites ici de manière exhaustive.
Selon un mode préféré, l'étape f) du procédé implique une implantation d'espèces légères selon le principe du procédé Smart Cut®. Dans une première phase fl), un substrat donneur 21 en carbure de silicium monocristallin, dont sera issue la couche utile 20, est fourni (figure 2a). Le substrat donneur 1 se présente préférentiellement sous la forme d'une plaquette de diamètre 100mm, 150mm, 200mm voire 300mm (identique à ou très proche de celui du substrat support 10) et d'épaisseur comprise typiquement entre 300μm et 800μm. Il présente une face avant 21a et une face arrière 21b. La rugosité de surface de la face avant la est avantageusement choisie inférieure à Inm RMS, voire inférieure à 0,5nm RMS, mesurée par microscopie à force atomique (AFM) sur un scan de 20μm x 20μm. Le substrat donneur 21 peut être de polytype 4H ou 6H, et présenter un dopage de type n ou p, en fonction des besoins des composants qui seront élaborés sur et/ou dans la couche utile 20 de la structure composite 100.
Une deuxième phase f2) correspond à l'introduction d'espèces légères dans le substrat donneur 21 pour former un plan fragile enterré 22 délimitant, avec une face avant 21a du substrat donneur 21, la couche utile 20 à transférer (figure 2b).
Les espèces légères sont préférentiellement de l'hydrogène, de l'hélium ou une co-implantation de ces deux espèces, et sont implantées à une profondeur déterminée dans le substrat donneur 21, cohérente avec l'épaisseur de la couche utile 20 visée. Ces espèces légères vont former, autour de la profondeur déterminée, des microcavités distribuées dans une fine couche parallèle à la surface libre 21a du substrat donneur 21, soit parallèle au plan (x,y) sur les figures. On appelle cette fine couche le plan fragile enterré 22, par souci de simplification.
L'énergie d'implantation des espèces légères est choisie de manière à atteindre la profondeur déterminée. Par exemple, des ions hydrogène seront implantés à une énergie comprise entre 10 keV et 250 keV, et à une dose comprise entre 5E16/cm2 et 1E17/cm2, pour délimiter une couche utile 20 présentant une épaisseur de l'ordre de lOOnm à 1500nm. Notons qu'une couche de protection pourra être déposée sur la face avant 21a du substrat donneur 21, préalablement à l'étape d'implantation ionique. Cette couche de protection peut être composée par un matériau tel que l'oxyde de silicium ou le nitrure de silicium par exemple. Elle est retirée préalablement à la phase suivante.
Optionnellement, une couche intermédiaire 4 peut être formée sur la face avant 21a du substrat donneur 21, avant ou après la deuxième phase f2) d'introduction des espèces légères (figures 3b, 3c, 3d, 3e). Cette couche intermédiaire 4 peut être en un matériau semi-conducteur, par exemple silicium ou carbure de silicium, ou en un matériau métallique tel que le tungstène, le titane, etc. L'épaisseur de la couche intermédiaire 4 est avantageusement limitée, typiquement entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres.
Dans le cas où la couche intermédiaire 4 est formée avant la phase f2), l'énergie d'implantation (et potentiellement la dose) des espèces légères sera ajustée à la traversée de cette couche supplémentaire. Dans le cas où la couche intermédiaire 4 est formée après la phase f2), on prendra soin de former cette couche en appliquant un budget thermique inférieur au budget thermique de bullage, ledit budget thermique de bullage correspondant à l'apparition de cloques à la surface du substrat donneur 21 du fait d'une croissance et d'une mise sous pression trop importante des microcavités dans le plan fragile enterré 22.
L'étape f) de transfert comprend ensuite une troisième phase f3) d'assemblage du substrat donneur 21, du côté de sa face avant 21a, sur le substrat support 10, du côté de sa première face 10a ou de sa deuxième face 10b, par collage par adhésion moléculaire, le long d'une interface de collage 30 (figure 2c).
De manière optionnelle, une couche intermédiaire 4' peut également être déposée sur la face à assembler du substrat support 10, préalablement à la phase f3) d'assemblage (figures 3d, 3e) ; elle peut être choisie de même nature ou de nature différente de la couche intermédiaire 4 évoquée pour le substrat donneur 21. Une couche intermédiaire 4,4' peut éventuellement n'être déposée que sur l'un ou l'autre des deux substrats 21,10 à assembler.
L'objectif de la (ou des) couche (s) intermédiaire (s) est essentiellement de favoriser l'énergie de collage (notamment dans la gamme de températures inférieures à 1100°C), du fait de la formation de liaisons covalentes à plus basses températures que dans le cas de deux surfaces Sic assemblées directement ; un autre avantage de cette (ces) couche (s) intermédiaire (s) peut être d'améliorer la conduction électrique verticale de l'interface de collage 30.
Selon une variante envisageable, la couche intermédiaire peut être formée par le film raidisseur 3 en carbone, conservé sur la première face 10a du substrat support 10 (figures 3a, 3c). Dans ce cas, l'étape e) du procédé de fabrication selon l'invention n'est pas réalisée et la face à assembler du substrat support 10 est sa première face 10a munie du film 3. Pour favoriser la conduction électrique verticale à travers le film raidisseur 3, dans la structure composite 100 finale, on privilégiera un film en carbone avec une structure cristallographique de type diamant.
De manière optionnelle, un film additionnel 5 en carbone est disposé sur la face opposée à la face à assembler du substrat support 10, toujours préalablement à la phase f3) d'assemblage (figure 3e). Ses caractéristiques peuvent par exemple être choisies parmi celles proposées pour le film raidisseur 3 précédemment dans cette description.
Même si la présence de ce film additionnel 5 a été illustré sur la figure 3e en combinaison de couches intermédiaires 4,4' sur les faces à assembler respectivement du substrat donneur 21 et du substrat support 10, ce film additionnel 5 peut être mis en œuvre dans l'une quelconque des configurations possibles évoquées, notamment celles illustrées sur les figures 3a à 3c. Le film additionnel 5 pourra être retiré ultérieurement, préférentiellement après que la structure composite 100 ait subi tous traitements thermiques à températures supérieures à 1400°C requis pour sa fabrication ou celle de composants sur et/ou dans ladite structure 100.
Revenant à la description de la phase f3) d'assemblage, et comme cela est bien connu en soi, le collage direct par adhésion moléculaire ne nécessite pas une matière adhésive, car des liaisons s'établissent à l'échelle atomique entre les surfaces assemblées. Plusieurs types de collage par adhésion moléculaire existent, qui diffèrent notamment par leurs conditions de température, de pression, d'atmosphère ou de traitements préalables à la mise en contact des surfaces. On peut citer le collage à température ambiante avec ou sans activation préalable par plasma des surfaces à assembler, le collage par diffusion atomique (« Atomic diffusion bonding » ou ADB selon la terminologie anglo-saxonne), le collage avec activation de surface (« Surface-activated bonding » ou SAB), etc.
La phase f3) d'assemblage peut comprendre, préalablement à la mise en contact des faces 21a,10a à assembler, des séquences classiques de nettoyages par voie chimique (par exemple, nettoyage RCA), d'activation de surface (par exemple, par plasma oxygène ou azote) ou autres préparations de surface (telles que le nettoyage par brossage (« scrubbing »)), susceptibles de favoriser la qualité de l'interface de collage 30 (faible défectivité, forte énergie d'adhésion). Enfin, une quatrième phase f4) comprend la séparation le long du plan fragile enterré 22, qui mène au report de la couche utile 20 sur le substrat support 10 (figure 2d).
La séparation le long du plan fragile enterré 22 s'opère habituellement par l'application d'un traitement thermique à une température comprise entre 800°C et 1200°C. Un tel traitement thermique induit le développement des cavités et microfissures dans le plan fragile enterré 22, et leur mise sous pression par les espèces légères présentes sous forme gazeuse, jusqu'à la propagation d'une fracture le long dudit plan fragile 22. Alternativement ou con ointement, une sollicitation mécanique peut être appliquée à l'ensemble collé et en particulier au niveau du plan fragile enterré 22, de manière à propager ou aider à propager mécaniquement la fracture menant à la séparation. A l'issue de cette séparation, on obtient d'une part la structure semi-conductrice 100 comprenant le substrat support 10 et la couche utile 20 transférée en SiC monocristallin, et d'autre part, le reste 21' du substrat donneur. Le niveau et le type de dopage de la couche utile 20 sont définis par le choix des propriétés du substrat donneur 21 ou peuvent être ajustés ultérieurement via les techniques connues de dopage de couches semi-conductrices .
La surface libre 20a de la couche utile 20 est habituellement rugueuse après séparation : par exemple, elle présente une rugosité comprise entre 5nm et lOOnm RMS (AFM, scan 20μm x 20μm). Des phases de nettoyage et/ou de lissage peuvent être appliquées pour restaurer un bon état de surface (typiquement, une rugosité inférieure à quelques angstroms RMS sur un scan de 20μm x 20μm par AFM). En particulier, ces phases peuvent comprendre un traitement de lissage mécano-chimique de la surface libre de la couche utile 20. Un enlèvement compris entre 50nm et 300nm permet de restaurer efficacement l'état de surface de ladite couche 20. Elles peuvent également comprendre au moins un traitement thermique à une température comprise entre 1300°C et 1800°C. Un tel traitement thermique est appliqué pour évacuer les espèces légères résiduelles de la couche utile 20 et pour favoriser le réarrangement du réseau cristallin de la couche utile 20. Il permet en outre de renforcer l'interface de collage 30.
Le traitement thermique peut également comprendre ou correspondre à une épitaxie de carbure de silicium sur la couche mince 20.
Enfin, notons que l'étape f) de transfert peut comprendre une étape de reconditionnement du reste 21' du substrat donneur en vue d'une réutilisation en tant que substrat donneur 21 pour une nouvelle structure composite 100. Des traitements mécaniques et/ou chimiques, similaires à ceux appliqués à la structure composite 100, peuvent être mis en œuvre au niveau de la face avant 21'a du substrat restant 21'.
La structure composite 100 obtenue est extrêmement robuste aux traitements thermiques à très hautes températures susceptibles d'être appliqués pour améliorer la qualité de la couche utile 20 ou pour fabriquer des composants sur et/ou dans ladite couche 20.
La structure composite 100 selon l'invention est particulièrement adaptée pour l'élaboration d'un (ou plusieurs) composant (s) microélectronique (s) à haute tension, tels que par exemple des diodes Schottky, des transistors MOSFET, etc. Elle répond plus généralement aux applications microélectroniques de puissance, en autorisant une excellente conduction électrique verticale, une bonne conductibilité thermique et en procurant une couche utile en c-SiC de haute qualité.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et aux exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un substrat support (10) en carbure de silicium poly-cristallin comprenant les étapes suivantes : a) la croissance d'un substrat initial (1) en carbure de silicium poly-cristallin sur un germe (2) en graphite ou en carbure de silicium ; à l'issue de l'étape a), le substrat initial (1) présentant une face avant (la) libre et une face arrière (1b) en contact avec le germe (2), b) la formation d'un film raidisseur (3) en carbone, sur la face avant (la) du substrat initial (1), le substrat initial (1) présentant, dans le plan de sa face avant (la) et juste avant la formation du film raidisseur (3), une première taille moyenne de grains de carbure de silicium, c) le retrait du germe (2), de manière à libérer la face arrière (1b) du substrat initial (1), ce dernier présentant, dans le plan de sa face arrière (1b) et juste après le retrait du germe (2), une deuxième taille moyenne de grains de carbure de silicium, inférieure à la première taille moyenne, d) l'amincissement de la face arrière (1b) du substrat initial (1), jusqu'à une épaisseur pour laquelle le substrat initial (1) présente, dans le plan de sa face arrière amincie (1b'), une troisième taille moyenne de grains égale à la première taille moyenne de grains à +/- 30% près, le substrat initial (1) aminci formant le substrat support (10).
2. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le film raidisseur (3) présente une épaisseur comprise entre lOOnm et plusieurs millimètres, par exemple Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le film raidisseur (3) présente une épaisseur comprise entre lOOnm et 10μm. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le film raidisseur (3) en carbone présente une structure cristallographique de type diamant ou de type carbone vitreux. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape b) est réalisée par étalement d'une résine polymère comportant des liaisons carbone-carbone préformées dans les trois dimensions, sous forme de couche visqueuse, sur la face avant du substrat initial (1), et par recuit à une température comprise entre 500°C et 2000°C, pour former le film raidisseur (3) en carbone. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel la résine polymère est à base de goudron de houille, de phénol formaldéhyde, d'alcool polyfurfurylique, d'alcool polyvinylique, de polyacrylonitrile, de chlorure de polyvinylidène, et/ou de polystyrène. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape b) est réalisée par dépôt par plasma, dépôt par bombardement d'ions ou dépôt par évaporation. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape a'), entre l'étape a) et l'étape b), de rectification de la face avant (la) et/ou d'un pourtour du substrat initial (1), pour diminuer une rugosité de surface de ladite face (la) et/ou une variation d'épaisseur dudit substrat (1), et/ou pour régulariser son pourtour. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l'étape a') comprend un amincissement mécanique ou mécano-chimique. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comprenant : une étape e), après l'étape d), de retrait du film raidisseur, et/ou
- une étape, après l'étape d) ou après l'étape e), de traitement thermique à une température supérieure ou égale à 1500°C. Procédé de fabrication d'une structure composite (100), mettant en œuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes et comprenant en outre une étape f) de transfert d'une couche mince (20) en carbure de silicium monocristallin sur une première (10a) ou sur une deuxième (10b) face du substrat support (10), directement ou via une couche intermédiaire, pour former la structure composite (100). Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel la couche intermédiaire est formée par le film raidisseur (3) en carbone conservé sur la première face (10a) du substrat support (10). Procédé de fabrication selon la revendication 11, dans lequel le transfert de la couche mince (20) est réalisé sur l'une des faces (10a ;10b) du substrat support (10) et un film additionnel (5) en carbone est disposé sur l'autre face libre (10b ;10a) du substrat support (10) préalablement au transfert. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le film additionnel (5) est retiré, préférentiellement après que la structure composite (100) ait subi tous traitements thermiques à températures supérieures à 1400°C requis pour sa fabrication ou celle de composants sur et/ou dans ladite structure (100).
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